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Methodendiskussion zur Bestim-mung des Restgaspotenzials von Gärresten Dr. Gerd Reinhold, Dr. Katja Gödeke und Florian Hengelhaupt Dr. Gerd Reinhold 125. VDLUFA-Kongress „Untersuchen, Bewerten, Beraten, Forschen: 125 Jahre VDLUFA im Dienste von Landwirtschaft, Umwelt- und Verbraucherschutz“ 17. bis 19. September 2013 in Berlin

Impressum Herausgeber: Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Naumburger Str. 98, 07743 Jena Tel.: 03641 683-0, Fax: 03641 683-390 Mail: [email protected] September, 2013 1. Auflage 2012 Copyright: Diese Veröffentlichung ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die des Nachdrucks von Auszügen und der foto- mechanischen Wiedergabe sind dem Herausgeber vorbehalten.

Beitragsnummer Sitzungsname

125. VDLUFA‐Kongress |Kurzfassungen der Beiträge Seitenzahl

Methodendiskussion zur Bestimmung des Restgaspotenzials von Gärresten Reinhold, G., Jena; Gödeke, K., Jena; Hengelhaupt, F., Jena

Im Sinne des Klimaschutzes und eines wirtschaftlichen Betriebes von Biogasanlagen (BGA) sollten die Methanemissionen aus Gärresten so gering wie möglich gehalten werden. Das Restgaspotenzial von Gärresten hängt jedoch von verschiedenen Einflussfaktoren ab. Die VDI‐Richtlinie 3475 macht zwar Angaben, wie das Restgaspotenzial zu messen ist und wie hoch die Emissionen maximal sein dürfen, lässt jedoch Spielräume bzgl. der Umsetzung, z.B. zur Bezugsbasis der Berechnungen.

Die Höhe des Restgaspotenzial hängt entscheidend von den Vergärungsbedingungen in der BGA und der Vergärungstemperatur bei Messungen im Labor ab. Die in der VDI‐Richtlinie 3475 z.B. vorgeschriebenen 20 °C Vergärungstemperatur erfordern im Labor eine Temperierung mit Heizung und Kühlung und auch die 60 d Versuchsdauer erhöhen den Aufwand deutlich. Anhand von Versuchen zur Restgasermittlung in drei Temperaturstufen wird gezeigt, dass eine Übertragung der bei 37 °C gewonnenen Ergebnisse auch gut möglich ist. Des Weiteren ist der in der VDI 4630 vorgeschriebene Einsatz von Impfschlamm bei der Restgasermittlung nicht erforderlich.

Unklarheiten entstehen auch bei der Übertragung der im Batch‐Versuch gemessenen Restgasmangen auf kontinuierlich arbeitende Praxisanlagen. Die zurzeit angewendeten Berechnungswege können zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen und damit zu differenzierter Interpretation der Höhe von Restgaspotenzialen aus Gärresten führen. So hat die Wahl der Bezugseinheit einen deutlichen Einfluss auf das Ergebnis. Die Restgasmenge ist auf die in der BGA eingesetzte organische Trockensubstanz (oTSE) zu beziehen und nicht auf die oTS im Batch‐Versuch (Gärrest). Dafür können die organischen TM‐Gehalte der Eingangssubstrate gemessen werden, was jedoch in der Praxis kaum erfolgt. Gleichermaßen können die Gehalte aber auch zeit‐ und anlagenkonkret über die Anlagenleistung oder Gaserzeugung zurückgerechnet bzw. vereinheitlicht über die Gaserträge z.B. aus der Biomasseverordnung berechnet werden. Bei Bezug der Restgasmenge auf die Substratmenge (l/kg Substrat) ist der Masseabbau in der BGA zu berücksichtigen, der sich wiederum aus der Gaserzeugung und dem Gehalt an organischer TM im Substrat ergibt.

Aus diesem Grunde sollen die verschiedenen Parameter und Wechselwirkungen dar‐ und zur Diskussion gestellt werden. Hieraus ließen sich verbindliche Aussagen ableiten, welche Parameter in der Praxisanlage erhoben werden müssen, welche Zeitschiene zugrunde gelegt und mit welcher Berechnungsmethode das im Batch‐Versuch ermittelte Ergebnis zum Restgaspotential auf bestehende Anlagen umgerechnet werden kann. Ziel muss es sein, eine einheitliche Grundlage zur Bestimmung des Restgaspotenzials aus Gärresten in Biogasanlagen und im Labor zu schaffen.

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Methodendiskussion zur Bestimmung des Restgaspotenzials von Gärresten

G. Reinhold; K. Gödeke; F. HengelhauptThüringer Landesanstalt für Landwirtschaft, Naumburger Str. 98, 07743 Jena [email protected]

125. VDLUFA-Kongress

Untersuchen, Bewerten, Beraten, Forschen:125 Jahre VDLUFA im Dienste von Landwirtschaft, Umwelt-

und Verbraucherschutz

17.-19. September 2013 in Berlin

www.thueringen.de/de/tllTLL Reinhold, 2013 www.thueringen.de/de/tllTLL Reinhold, 2013

Veranlassung fürArbeiten zur Restgasanalyse

Vergütungsvoraussetzung EEG 2009:- Gärrestlager gasdicht abgedeckt- ab 1.1.2009, wenn BISchV-pflichtig

aber keine Regelungen zur Größe,des Gärrestlagers im EEG

Sowie:

Forderung VDI 3475 Bestandsanlagen: - > 110 Tage Verweilzeit in Fermentersystem

- kein Nachweis Restmethanbildung nötig- bei < 110 Tage Aufrüstung auf 150 Tage

- oder Restmethanbildung < 1,5 % bei 20 C; 60 d

Neuanlagen (Verweilzeit > 150 Tage) - oder Restmethanbildung < 1,0 % bei 20 °C; 60 Tage

Ausnahme reine Gülleanlage

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Auswahl von 17 Thüringer BGAzur Ermittlung der Restgasmengen

• Variabilität – in Fütterung (WD von 0 .. 100 %)

– in Größe 1600 m³ bis 8000 m³

– in der Leistung (200 ... 1600 kW)

– in der Stufigkeit (1 ... 4 Behälter)

– Rezierkulation (0 ... 16 %) Bezug Fermenter 1

– in Verweilzeit und Belastung

• Dokumentationsqualität


y = 677,21x - 44,054R2 = 0,8775

0

50

100

150

200

250

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40%

TS-Gehalt in der Substratmischung (%)

Ver

we

ilze

it (d

) Steigender TS-Gehalt steigende Verweilzeit um

Belastung zu begrenzen

Einfluss von TS-Gehalt auf dieVerweilzeit

y = -191,96x + 204,69

R2 = 0,9056

0

50

100

150

200

250

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Gülle-Anteil an der FM

Ver

we

ilzei

t (d

) Steigender Gülleanteil sinkende TS sinkende Verweilzeit

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Methode Restgasermittlung

VDI 3475 - Pkt. 4.3.3.2 Maßnahmen zur Reduzierung von Emissionen aus dem Gärrestlager

Bezug zur BGA (kontinuierliches Verfahren)

Prüfmethode: batch-Ansatz (diskontinuierliches Verfahren)

feste Zeit bisher 37 °C üblich


Restgaspotentialbestimmung

• Nasschemische Analyse

• Betriebsdatenerfassung in der BGA

• Restgasermittlung im HBT – ohne Impfgülle (entgegen VDI 4630), da sonst andere

Biologie

– 37 °C /40 d Verweilzeit

– Normgasumrechnung

– Methanbestimmung

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BIOGASERTRAGSMESSUNG 1)

1) Verbandsmethode METHODENBUCH VII VDLUFA-Verlag, Darmstadt

Diskussionspunkte:• Inokulum aus einer Biogasanlage …

• Warum Einsatz von Inokulum ???

• CH4-Produktion des Inokulums < 20 % der CH4-Produktion des Testsubstrates

• Ist das bei Restgas realistisch ???

• Gasausbeute … wird summiert, … und auf die eingewogene oTM der Probe bezogen

• nicht vergleichbare Werte zu Gasausbeuten

• Temperatur von 37 ± 2°C (VDI 20 °C)

• die Praxis-BGA arbeiten mit 40 …43 °C


Nutzung von Inokulum ?

• Biologie aus anderen BGA könnte zu einen höheren Potential führen

• Verunsicherung der Ergebnisse und Mehraufwand

• < 20 % Gasertrag des Restgaspotentiales ist oft unrealistisch

Vorschlag: Arbeit ohne Inokulum

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Re-aktor

BHKW

Nach-gärer

Güllelager

Gärrest-lager

(gasdicht)

Substrat28 % oTS2 % Asche

70 % H2O

Konvertierung zu Biogas

(50…90 %)

Schwer ver-daulicher Rest

Praxis kontinuierliches Verfahren

Für den Bezug auf oTMist Bilanzierung der Vergärung nötig

Masse-verlust

Laborprobe

Maissilage


Veränderung der Hauptinhaltsstoffe(Quelle: Monitoring Thüringer 2012, n=46)

Abbau auf 60 … 40 %, da hoher Gülleanteil in den BGA

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Humuswirksame Inhaltsstoffe(Quelle: Monitoring Thüringer BGA 2012)

TLL Jena 2013, Reinhold

0,00

4,00

8,00

12,00

16,00

20,00

ADF

Lignin

% d

er F

M

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Abb

au a

uf %

Mischung

Gärrest

Abbau in FM auf


d

Gas-menge

Zeit0 30 60 d

Gas-menge

Zeit0 30 60

Gas-menge

Zeit0 30 60

Re-aktor

BHKW

Nach-gärer

Güllelager

Gärrest-lager

(gasdicht)

Substrat28 % oTS2 % Asche

70 % H2O

Konvertierung zu Biogas

Restgas (ml/Kolben)

l / kg FM

aber bis 30 % Masseabbau BGA

m³/ kg oTS

aber bis 90 % oTS-Abbau

Schwer verdaulicher Rest

Praxis Laborkontinuierliches Verfahren batch Ansatz

Gärprodukt

7,2 % oTS 2,6 % Asche

90,2 % H2O

Bilanzierung der Vergärung

Masseverlust Maissilage

Laborprobe

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Massebezug

Zielbezug: lN Restgas/kg Substrat:

• Masseabbau vernachlässigen ???• Unterschiede zwischen NAWARO und Gülleanlage ?

• Berechnen über Standard-Gaserträge (Masse-

abbau aus Substratmix) : • des KTBL- kaum TS-Werte in Praxis, ungenaue Verwiegung

• der Biomasseverordnung - kein TS Bezug, ungenaue Werte

• Berechnung über Gasertrag in der BGA:• Zeitbezug unklar (VDI „… pro Stunde gebildete …“ ???)• meist keine exakte Gas-Messung vorhanden• Oft keine Werte für Normgasumrechnung


Lösungswege

• Berechnung über Stromertrag (Abfrage in der BGA)– Exakte Messung in jeder BGA vorhanden– Wirkungsgrad ist zu unterstellen oder Herstellerangabe einheitlicher Fehler

– Beispiel:

Bemessungsleistung (300 kW) * Biogasgewicht (1,34 kg/m³) = 211 kg/h Wirkungsgrad (38 %) * 50 % CH4-Gehalt * 10 kWh/m³ = Gasmasse

= Masseabbau

Masseabbau ggf. auch über Fugatfaktoren berechenbar Substrat oTS-Gehalt ist über Stromertrag berechenbar, da

Masseabbau = oTS Abbau Fettsäuregehalte werden vernachlässigt

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Fehlerquellen

• Zeitbezug – „stündliche Gaserzeugung“– Zeitbezug mindestens ein Tag, besser eine Woche

– Änderung in der Gasspeicherfüllung und Fackelverluste beachten

• Genauigkeit der Angaben zu– Methangehalt

– Zählerablesezeit

– BHKW-Wirkungsgrad

– Fütterung (Menge, TS, …), besonders bei Gülle


Auswertung der Ergebnisse

(Messung: ml/Glaskolben lN/kg Einwaage)

Fer-menter

BHKW

Nach-gärer

Güllelager

Gärrest-lager

(gasdicht)

Ablauf:6,5 % TS

Input:17 % TS

Bezug auf die Frischmasse nötig% der RestgasbildungundBezug auf die eingesetzte oTS Substrat in Verbindung mit Laboranalyse und Massekorrektur lN/kg oTSEinsatz

Restgasermittlung:-lN/kg Einwaage= Frischmassebezug

keine oTS-Bezug als lN/kg oTS, verwenden da dieser nicht ver-gleichbar mit den Richtwerten für Gasertrag ist

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Abhängigkeit der Restgasmengevon der Fermentationstemperatur


Temperatureinfluss Verhältnis Restgaspotential (37 °C) und Restgasmenge bei 25 und 10 °C

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

61 88 46 31 66 59 24 102 32 25 35 41 43 15 29 34 33

Biogasmenge Sommer 41 % v. Potential

Biogasmenge Winter 0,9 % v. Potential

Restgasemission bei 25 °C = 40 ... 50 % vom Potentialbei 10 °C = vernachlässigbar

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Fermentationstemperatur

VDI: 20 °C / 60 d für RestgasbestimmungHeizen und Kühlen im Labor

Verlängert die Versuchsdauer

Politische Entscheidung, da 1,5 % bei 20 °C besser klingt als 3 % bei 37 °C

Kaum Übertragung der Ergebnisse auf die ökonomische Entscheidung zur Behälter-abdeckung möglich

Versuchsende wenn 3 Tage weniger als 0,5%


Verhältnis von:Restgaspotenzial und Restgasemission

Maximal mögliche Ausgasung unter op-timalen Bedingungen

–Temperatur 35...40 °C–Verweilzeit zur Aus-

gasung (30 … 40 d)–Optimale Biologie–Grundlage für Entschei-

dung über Abdeckungim Labor bestimmbar

Gasbildung unter kon-kreten Bedingungen in der Praxis reduzierbar durch:

–Temperaturabsenkung–Verlängerung der Ver-

weilzeitin Praxis zu messen oder aus Gärversuch ab-schätzen (Temperatur)

Restgaspotenzial >> Restgasemission

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Zusammenfassende Schlussfolgerungen

• Die Vergärungstemperatur hat in Verbindung mit der Zeit hohen Einfluss auf die gemessene Restgasmenge

• Zur Vereinheitlichung ist für die Restgasermittlung– eine Temperatur entsprechend der Vergärungsbedingungen und – die Arbeit ohne Impfschlamm festzulegen

• Bei Auswertung der Ergebnisse ist der Masseabbau mit einzubeziehen

• Aus Vergleichbarkeitsgründen ist der Bezug eingesetztenoTS Menge anzuwenden und über die frischmassebezogene Gasmenge zu errechnen.

• Vom Restgaspotential werden – bei Sommerlagerung (25 °C) ca. 40 ... 50 % und – bei Winterlagerung (10 °C ) ca. 1 -2 % emissionswirksam

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